吉林一号卫星在查干湖国家级自然保护区人类活动监测中的应用

文|刘思言 王春月 赵宇恒 秦磊 付璐 于海洋

1.长光卫星技术股份有限公司

2.吉林省卫星遥感应用技术重点实验室

一、前言

自然保护区可以积极保护生态平衡，有利于加强研究合理的生态平衡和对人类环境的保护，是中华民族的宝贵财富、美丽中国的重要象征[1]。截至2021 年2 月，中国已有34 处国家级自然保护区已被联合国教科文组织的“人与生物圈计划”列为国际生物圈保护区。近年受到人类活动的干扰，如农田的扩张、工矿企业的违规建设等，生态环境遭到一定程度的破坏。为加强自然保护区监督管理，2016 年上半年，环境保护部组织卫星环境应用中心开展了全国446 个国家级自然保护区2013-2015 年人类活动遥感监测[2]。吉林查干湖国家级自然保护区位于吉林省西北部，霍林河末端与嫩江的交汇处，总面积506.84 km2。范围在东经124°03′28″—124°30′59″，北纬45°05′42″—45°25′50″之间。吉林查干湖国家级自然保护区以半干旱地区湖泊水生生态系统、湿地生态系统和野生珍稀、濒危鸟类为主要保护对象，具有重要的生态价值和保护意义。为了使查干湖自然保护区在涵养水源、保持水土、改善环境、保护生物多样性等方面持续发挥重要作用，加强对查干湖保护区的人类活动的识别与监管十分重要。

多数自然保护区具有覆盖面积大、地形地势复杂等特点，导致人工进行人类活动排查成本高、工作量大，时间周期长，容易遗漏[3]。并且人类活动具有8 种一级类型、20 余种二级类型，难以全面准确地掌握人类活动在自然保护区中的分布情况。卫星遥感技术具有探测范围大、光谱信息丰富、分辨率较高等特点，可在自然保护区人类活动提取中发挥巨大的优势，提高监测工作的精度及效率。在吉林一号星座的高分辨卫星遥感影像中，各类型人类活动具有明显特征。通过遥感解译进行精细化提取，获得准确的人类活动分布信息，可为自然保护区生态环境保护提供本底数据支持和科学决策依据。本文以吉林一号高分辨率卫星影像作为数据源，吉林查干湖国家级自然保护区作为监测示例区域，介绍吉林一号卫星在自然保护区人类活动监测中的应用。

二、监测数据与人类活动介绍

1. 监测数据源

根据《自然保护地人类活动遥感监测技术规范》中的要求，对查干湖自然保护区进行人类活动监测的卫星影像数据，需满足分辨率优于2m，单景影像云量低于10%，能够清晰地表现纹理信息，突出主要地类。截至2022 年9 月，吉林一号卫星星座目前已有70 颗卫星在轨运行，是中国目前最大的商业遥感卫星星座，可对全球任意地点实现每天23—25 次重访，具备全球一张图一年更新2 次、全国一张图一年更新6 次的能力，最快可在11 分钟内实现对应急任务的响应。吉林一号宽幅系列、高分02 系列、高分03 系列、高分04 系列等卫星均可达到亚米级空间分辨率，满足人类活动提取的影像需求。其中吉林一号宽幅系列卫星分辨率最高可达到0.5m，幅宽136 km。通过一次拍摄即可满足大多数自然保护区的全覆盖需求。综合考虑耕地中农作物的物候信息与植被生长特性，选用2021 年9 月的吉林一号宽幅01B 0.5m 分辨率卫星影像作为提取查干湖自然保护区的基础数据。影像包含蓝光、绿光、红光以及近红外四个光谱通道，且全域范围达到无云状态，满足实际解译中云量的要求。

2. 人类活动介绍

自然保护区人类活动类型包括矿产资源开发、工业开发、能源开发、旅游开发、交通开发、养殖开发、农业开发、居民点与其他活动8 种一级类型，在此基础上又区分了若干二级人类活动类型[5]。

自然保护区人类活动变化类型包括新增、扩大和减少等3 种类型，每种变化类型根据实际分为新增、面积扩大、强度增强、面积减少、强度减弱5种不同变化情况。

三、监测工作流程与方法

1. 自然保护区人类活动监测

能够准确且全面地提取人类活动信息，是制定自然保护区生态环境治理相关工作政策的基础。利用基于深度学习的自动化提取技术结合人工核查的监测手段，建立从卫星遥感数据获取、处理到人类活动成果准确化提取及相关成果应用的全流程监测体系。高效利用高分辨率的卫星数据，精准获取全面的人类活动变化及整体分布信息。监测的整体工作流程如图1 所示。

图1 人类活动遥感监测技术流程图

以自然保护区边界为拍摄范围，获取保护区内主要作物与植被数据，通过该地区的主要植物的生长情况规划拍摄时间，以便于区分人类活动类型。将拍摄得到的影像进行正射校正、融合、配准等处理，得到用于解译的基础影像。

以上一期人类活动数据为基准期数据，影像为基准期影像。将所建立的人类活动样本库，采用深度学习算法进行训练，得到人类活动提取模型。在拍摄得到的影像与基准期影像的基础上，利用提取模型进行自动化提取人类活动变化信息。对提取得到的图斑有针对性地进行实地核查，采集实际的人类活动属性进行对比。修改不准确的图斑信息，得到人类活动变化数据。整合人类活动基准期数据，获得人类活动现状数据。

以得到的监测成果为基础，对保护区内的人类活动信息进行统计分析。评价保护区内人类活动对生态环境的影响程度。制作人类活动分布专题图，撰写报告，为自然保护区的综合治理工作提供决策上的帮助。

2. 技术方法

（1）人类活动自动化提取

采用基于深度学习的方式对人类活动进行自动化提取。对于在影像中呈现分散分布状态，并且形态较小、场景复杂的人类活动，如能源开发活动中的风电、水电、输变电等设施，使用选择应用较广的YOLOv5[6-7]作为自动化提取所用的目标检测算法。训练样本集数据，充分学习各项设施的特征，得到能源开发人类活动检测模型。YOLOv5 网络结构及能源开发检测流程如图2 所示。该模型提取速度快，在查干湖国家级自然保护区人类活动提取中，可以高效地遍历保护区范围内的影像。结合人工质检的方式，在人机交互筛查的过程中删减误检信息，可以提升整体的提取精度。

在高分辨率遥感影像中，人类活动一般具有大分散小聚集的分布特点，适用地表分类技术。选择HRNet+OCRNet[8]为使用的语义分割算法，并建立以东北地区地表信息为主要部分的地表类型样本库。通过GPU 并行加速减少预测时间，提升算法整体效率。算法网络结构及地表分类结果如图 3 所示。在进行人工质检过程中对图斑的边缘进行优化，使提取的结果更加贴合实际地物的分布情况。

图3 HRNet+OCRNet 网络结构及地表分类结果

（2）人类活动影响评价模型

根据自然保护区人类活动监测结果，计算自然保护区人类活动影响指数[9]，并进行分级，对区域内的人类活动影响进行评价，评价模型如下：

其中，NRHI为自然保护区人类活动影响指数，xi为人类活动类型的面积，x为自然保护区的总面积。ai和bi为权重，其中ai根据每一类人类活动斑块所在的功能区来确定，bi根据不同人类活动类型对自然保护区的影响程度来确定。

3. 服务方式

现有人类活动强度不再增加、减少新增人类活动数量、针对性治理重点类型人类活动，对于保护自然保护区生态环境十分重要[10]。为了方便对人类活动实施严格的监管，建立自然保护区人类活动监管平台，有效地利用现有监测数据对自然保护区人类干扰活动进行统计、分析和展示，统筹管理人员进行任务下发、执行。通过统一的人类活动监管平台，提升数据供应、核查整改等工作的效率，以遥感影像准确展示人类活动的实际治理效果，为自然保护区管理工作提供依据。

四、监测成果及分析

基于吉林一号高分辨卫星影像对吉林查干湖国家级自然保护区进行人类活动提取，除矿产资源开发外其他7 种人类活动均存在于保护区内部。保护区内人类活动提取数据如表 1 中所示，表中空白处即为未提取得到该区域或该类型的人类活动。

表1 查干湖国家级自然保护区人类活动分布情况

续表1

全域共提取得到309 处人类活动图斑，总面积2188.41 hm2，占保护区总面积的4.3%。其中存在131 处农业开发，面积1996.79 hm2，占保护区总面积的3.94%，占所有人类活动面积的91.24%。对自然保护区环境影响最大的矿产资源开发、工业开发、旅游开发、能源开发总共存在89 处，总面积为34.8 hm2，所占总体人类活动比例较小。查干湖保护区人类活动空间分布情况如图4 所示。

图4 2021 年查干湖国家级自然保护区人类活动分布现状

根据人类活动影响评价模型，结合提取得到的各功能区的人类活动分布，计算吉林查干湖国家级自然保护区人类活动影响指数NRHI。结果如表2 所示。整个保护区的人类活动影响指数为0.000309，其中缓冲区的影响指数为0.0002021，占总影响的65.4%，说明在查干湖自然保护区中对环境影响较大的人类活动主要集中在缓冲区内。以吉林省各自然保护区的NRHI值作为参考依据，设计人类活动影响程度等级划分为5个等级：剧烈（NRHI＞0.003）、明显（0.0007 ＜NRHI≤0.003）、较明显（0.0002 ＜NRHI≤ 0.0007）、一般（0.00009＜NRHI≤0.0002）和轻微（NRHI≤0.00009）。查干湖保护区内人类活动属于较明显等级，结合实际影像观察，以农田、居民点、道路、养殖场和人工设施等为主，有少量开发建设活动。

表2 查干湖国家级自然保护区人类活动影响指数

总体上查干湖自然保护区内人类活动主要分布在东北部和南部。保护区内人类活动在实验区、缓冲区、核心区的面积分布分别为1118.21 hm2、994.01 hm2、76.19 hm2，其中实验区人类活动最多，面积占保护区总面积的2.2%。缓冲区内人类活动对保护区影响最大。核心区仍然存在人类活动的痕迹，分布着部分水田和旱地。

查干湖保护区是湿地类型保护区，主要地表类型为水域湿地，面积约为420 km2，占80%以上。虽然人类活动占总面积的比例不高，但是占陆域面积的比例过大，超过1/4，人类活动治理防控形势仍然十分严峻。

在监测过程中仍然需要人工进行参与：一是需要人工进行现场核查，明确具有争议图斑的属性，提升二级人类活动提取的准确性；二是需要进行人工优化提取结果的边界，使之更加符合实际地类的分布特征。在监测过程中充分利用自动化提取的效率，并且辅助人工进行优化，最大程度上满足准确与高效的要求。

五、结论及展望

通过吉林一号高分辨率影像提取得到了查干湖国家级自然保护区内人类活动的主要分布情况和类型，以此为基础对生态环境的干扰程度进行分析。查干湖自然保护区内人类活动集中分布在保护区周边，以农业开发为主，人类活动较为明显。虽然与历史影像进行对比可观察到保护区内存在大量人类活动减少痕迹，表明查干湖保护区的生态环境治理工作正在有序推进，但是综合考虑人类活动面积在保护区的占比情况，仍需进一步加快对干扰活动的综合治理的脚步，在保持现有成果的前提下快速提升查干湖保护区的生态环境状况。

吉林一号卫星星座的遥感影像具有高时间分辨率、高空间分辨率、覆盖能力强的特点，在进行大范围、具有复杂地表的自然保护区人类活动监测中具有优势。在亚米级影像中可以准确地识别各种人类活动类型的地表特征，通过自动化提取+人工核查的方式能够极大地提升人类活动排查的效率和准确度。高频次的拍摄能力可以在第一时间得到人类活动的变化信息，提高自然保护区人类活动的动态监测能力。自然保护区人类活动监管平台进一步增强了资源整合能力，使生产和核查等各方深度参与，提升人类活动的监管能力。在后续的工作中仍需进一步提升监测过程中的自动化水平，提高提取算法的准确性，增加各类型人类活动的样本库，完善提取模型。准确且全面地监测人类活动，可以有效抑制对自然保护区生态环境的破坏，为保护区的环境治理工作提供数据支撑。